25黃紅梅_pdc鉆頭旋轉流場-稿件

1、1旋轉旋轉PDC鉆頭流場數(shù)值模擬計算研究鉆頭流場數(shù)值模擬計算研究黃紅梅1，翟應虎2（1.中國石油勘探開發(fā)研究院機械所，北京910信箱100083；2.中國石油大學石油工程學院，北京昌平102249）摘要：摘要：利用計算流體動力學技術對旋轉PDC鉆頭的三維湍流流場進行了數(shù)值模擬。模擬中考慮了鉆頭的切削齒和鉆頭的射流噴嘴對流場的影響。流場的網(wǎng)格劃分采用局部加密的混合網(wǎng)格形式，保證了計算精度和運算速度的要求。流場的控制方程在單一旋轉參考坐標系

2、中建立，流場的湍流模型采用的是重整化群模型(renmalizationgroupRNGmodel)。旋轉流場的三維模擬結果揭示了??k??k旋轉流場與靜止流場的區(qū)別，為進一步的鉆頭水力結構優(yōu)化分析奠定了理論基礎。關鍵詞：關鍵詞：PDC鉆頭；流場；數(shù)值模擬；旋轉目前，國內(nèi)采用計算流體動力學技術對PDC鉆頭流場的研究，由二維、單噴嘴發(fā)展到最近的三維、旋轉、非對稱多個噴嘴的流動數(shù)值模擬[1]，取得了很大的進步。但在鉆頭物理模型的選取上，沒有考

3、慮真實的鉆頭模型，如鉆頭上的切削齒和射流噴嘴等。因此，模擬結果用來指導PDC鉆頭的水力結構優(yōu)化設計還有一定的差距。1旋轉旋轉PDC鉆頭的流場數(shù)值模擬鉆頭的流場數(shù)值模擬1.11.1建立鉆頭流動的幾何模型及網(wǎng)格劃分建立鉆頭流動的幾何模型及網(wǎng)格劃分選用一只BK432PDC鉆頭進行流場數(shù)值模擬。鉆頭的幾何模型由CAD軟件完成，如圖1所示。該鉆頭有四片刮刀，2對噴嘴噴嘴出口直徑均為11mm。靠近鉆頭中心部位的噴嘴傾斜角度分別為12度、18度；另兩

4、只噴嘴傾斜角度分別為22度、25度。利用已建立的PDC鉆頭幾何模型，在CAD軟件中建立了鉆頭的流動模型。對流動模型進行網(wǎng)格劃分。在流場的網(wǎng)格劃分中，將幾何模型分為3部分，最上面的部分為逐漸稀疏的棱柱體網(wǎng)格；中間部分為過渡網(wǎng)格，其中中心液流為棱柱體網(wǎng)格，外圈為四面體網(wǎng)格；最下面的部分包含有4片刮刀和切削齒，此部分為四面體網(wǎng)格，局部加密。采用這種局部加密的網(wǎng)格形式，既滿足了計算精度的要求，又兼顧了模擬的運算速度。圖1鉆頭的幾何模型3軸向流量

5、動量的比值。對于較弱的中等渦流（S0.5），應該使用雷諾應力（RSM）??k模型。PDC鉆頭的旋轉流動屬于中等強度的渦流，可采用RNG模型。??kRNG模型是將非穩(wěn)態(tài)NavierStokes方程對一個平衡態(tài)作Gauss統(tǒng)計展開，并用對??k脈動頻譜的波數(shù)段作濾波的方法，從理論上導出高Re數(shù)模型，所得出的方程形??k??k式上同標準模型完全一樣，但不同的是5個系數(shù)之值不是根據(jù)實驗數(shù)據(jù)而是由理論分??k析得出。這套系數(shù)的最新結果為［2］：；

6、；085.0??c301~1)~~1(~42.1?????????c68.12?c；；7179.0?k?7179.0?????Sk?~；；21)2(jijiSSS?38.4~0??015.0??)(21ijjijixuxuS??????高Re數(shù)方程采用上述系數(shù)時就構成了重整化群模型(renmalizationgroup??k??kRNGmodel)。顯然，與標準模型相比，RNG模型的最大特點在于在??k??k??k方程產(chǎn)生項的系數(shù)的計算

7、中引入了主流的時均應變率。這樣在RNG模型中?1cjiS??k之值不僅與流動情況有關，而且在同一問題中也還是空間系數(shù)的函數(shù)。1c由于RNG模型采用高Re數(shù)方程，因而在接近壁面處要采用壁面函數(shù)法??k??k來處理。1.41.4流動的邊界條件及計算介質(zhì)流動的邊界條件及計算介質(zhì)流動的入口條件根據(jù)鉆頭的工作排量來估算。設定鉆頭工作排量為30升每秒，則初始速度為11.7ms，即，。流動的出口條件采用的是無回流00?u00?vsmw7.110?的出